Relevanz von Rückkopplungen zwischen Wasserverfügbarkeit und Bauernsystemen unter Verwendung eines gekoppelten hydrologischen–Pflanzenwachstumsmodells

Zusammenfassung. Einzelne hydrologische und Pflanzenwachstumsmodelle vereinfachen oft zugrunde liegende Prozesse, was die Genauigkeit sowohl der simulierten Hydrologie als auch der Dynamik des Pflanzenwachstums verringert. Während Pflanzenmodelle dazu neigen, die Bodenfeuchtigkeitsprozesse zu verallgemeinern, verwenden die meisten hydrologischen Modelle häufig konstante Vegetationsparameter und vorgeschriebene Phänologien, wodurch die dynamische Natur des Pflanzenwachstums vernachlässigt wird. Trotz einiger Studien, die hydrologische und Pflanzenmodelle gekoppelt haben, besteht ein begrenztes Verständnis der Rückkopplungen zwischen Hydrologie und Pflanzenwachstum. Unser Ziel ist es, die Rückkopplung zwischen Pflanzensystemen und Hydrologie auf einer feinkörnigen räumlichen und zeitlichen Ebene zu quantifizieren. Zu diesem Zweck wurde das hydrologische Modell PCR-GLOBWB 2 mit dem Pflanzenwachstumsmodell WOFOST gekoppelt, um sowohl die einseitigen als auch die zweiseitigen Wechselwirkungen zwischen Hydrologie und Pflanzenwachstum auf einer täglichen Zeitschrittebene und bei einer Auflösung von 5 Bogenminuten (∼ 10 km) zu quantifizieren. Unsere Studie erstreckt sich über die angrenzenden Vereinigten Staaten (CONUS) und deckt den Zeitraum von 1979 bis 2019 ab, was eine umfassende Bewertung der Rückkopplung zwischen Hydrologie und Dynamik des Pflanzenwachstums ermöglicht. Wir vergleichen individuelle (eigenständige) sowie einseitig und zweiseitig gekoppelte WOFOST- und PCR-GLOBWB 2-Modellläufe und bewerten die durchschnittlichen Erträge sowie deren jahreszeitliche Variabilität für regennährte und bewässerte Pflanzen sowie simulierte Bewässerungswasserentnahme für Mais, Weizen und Sojabohnen. Unsere Ergebnisse zeigen ausgeprägte Muster in der zeitlichen und räumlichen Variation der Erträge, abhängig von den einbezogenen Wechselwirkungen zwischen Hydrologie und Pflanzensystemen. Die Bewertung der Modellergebnisse gegen berichtete Ertrags- und Wasserverbrauchsdaten zeigt die Wirksamkeit des gekoppelten Rahmens bei der Nachbildung beobachteter Erträge von bewässerten und regennährten Pflanzen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die zweiseitige Kopplung mit ihren dynamischen Rückkopplungsmechanismen die einseitige Kopplung für regennährte Pflanzen übertrifft. Diese verbesserte Leistung resultiert aus der Rückkopplung der WOFOST-Pflanzenphenologie an die Pflanzenparameter im hydrologischen Modell. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass eine zweiseitige Kopplung erforderlich ist, wenn Pflanzenmodelle mit hydrologischen Modellen kombiniert werden, um die Auswirkungen der jahreszeitlichen Klimavariabilität auf die Nahrungsmittelproduktion zu erfassen.